天气雷达产品在强对流天气临近预报中的应用

洛桑顿珠，旦增查拉，罗桑旦增

（1.西藏自治区大气探测技术与装备保障中心，西藏 拉萨 850000；2.西藏拉萨市气象局，西藏 拉萨 850000）

强对流天气是指伴随有雷暴现象的对流性大风、冰雹、短时强降水的对流性天气，是危害性较强的灾害性天气之一。强对流天气主要发生在中小尺度天气系统中（对流云系或单体对流云块中），其空间尺度较小，水平范围在十几到二三百公里之间，有的水平范围只有几十米，生命史短暂且突发性明显，是短时天气预报和气象防灾减灾的重点及难点。自天气雷达应用到气象领域以来，其在监测和预警强对流天气中发挥着十分重要的作用。天气雷达可以发射与之相关的脉冲电磁波，一旦出现云雨天气，天气电磁波将会朝着四面八方散射，而向后散射的电磁波将会被雷达吸收。对于传统的天气雷达来说，只能对回波中的反射率因子进行提取，多普勒天气雷达可以对反射率因子信息、云雨中雷达径向运动速度和谱宽信息进行提取。我国新一代天气雷达网主要是由多普勒天气雷达组成，且逐渐成为监测和预报强对流天气的重要工具。新一代天气雷达的主要特点是探测灵敏度和空间分辨率较高，可以探测出传统雷达无法探测的晴空回波。近些年来，国内外越来越多的专家和气象学者对多普勒天气雷达产品的理论知识和应用加大了研究力度，并得出了很多有意义的结论。新一代天气雷达产品主要在探测和预警强对流天气、估计降水量、雷达上方大气垂直风廓线估测、同化雷达径向速度数据和反射率因子等，进而为数值预报模式提供初始场。自多普勒天气雷达在各级气象部门中应用以来，获取了海量的监测数据信息，将天气雷达产品应用到强对流天气临近预报中积累了丰富的经验。基于此，本文对天气雷达产品在强对流天气临近预报中的应用进行分析，以进一步提高强对流天气临近预报水平，并为当地人工影响天气工作、气象防灾减灾等工作提供高质量的服务，充分发挥气象服务的经济效益和社会效益。

1 天气雷达概述

1.1 天气雷达原理

所谓的天气雷达主要指脉冲雷达，以一定的频率对持续时间较短的脉冲波进行重复发射，之后则是对被降水粒子散射回的回波脉冲进行接收。雨滴、雨滴谱、降水粒子相态、冰晶粒子形状和取向等特性直接影响降水对雷达发射波的散射与吸收。因此，在对降水回波进行分析和判定的过程中，可以对降水各种宏观特性及物理量特性进行判定。在降水回波与降水强度的基础上构建了不同类型的理论与经验关系式，结合这些关系式，并在回波功率的基础上，对雷达探测范围内的降水强度、影响范围等进行测定。

1.2 天气雷达特点

天气雷达结构的特点主要有：（1）选用对数中频放大器。可以确保输出近似与输入信号强度的对数间呈现出正比例关系，使云和降水回波强度在变化范围较大时可以正常显示；（2）距离订正。结合气象雷达方程，接收功率Pr和距离R的平方成反比，在使用距离订正后可以将不同距离上的回波强度进行比对。（3）视频积分处理器。对于降水回波信号来说，其随机起伏的性质较为突出，需要对探测范围进行划分，使其由若干个小区域组成，通过平均每个区域的回波信号后，根据回波强度，以分层的方式显示出黑色、白色与数字。（4）实时监测雷达参数设备可以对降水进行定量测定。（5）电子计算机可以对天气雷达进行控制，同时还能对获取的降水量、气流速度等气象资料信息进行处理。

1.3 天气雷达结构

实际上，天气雷达主要有四部分组成，分别是发射机、定向天线、接收机和显示器。其中发射机主要是对高频脉冲进行发射；定向天线则是对探测脉冲与接收回波脉冲进行发射；接收机可以对回波脉冲信号进行放大处理；显示器则能将降水区、风暴等气象目标物相对雷达位置、回波结构及强度显示出来。天气雷达中的显示器包含三种：（1）距离显示器，主要是对距离不同气象目标物的回波强度进行显示的仪器；（2）平面位置显示器，这种类型的显示器主要以雷达显示为中心的指示仪器，可以将气象目标物距离和方位平视图及坐标显示出来，主要反映了风暴、降水区域的水平分布；（3）距离高度显示器：以直角坐标的方式显示给定方位的铅直平面中的气象目标物距离和高度的指示仪器，主要是将风暴、降水区等的铅直结构反映出来。自进入到20世纪70年代后，定量探测天气雷达中增加了小型计算机数字处理系统。

2 天气雷达产品在强对流临近天气预报中的应用

2.1 反射率因子产品

对于反射率因子产品来说，可以直观反映出降水强度、降水回波变化特征及降水动态变化趋势等，将其与天气学特征结合起来，可以准确识别对层状云、锋面、飑线、积云、积层混合云系等方面的信息。对于反射率因子产品的掌握愈发熟练，越有利于观测人员准确判断回波强度信息，进而对雷雨、冰雹、大风等强对流天气类型进行准确判定。除此之外，观测人员还能根据反射率因子随时间变化情况，判断降水回波的具体移动路径和未来发展趋势，这也是在强对流天气临近预报中广泛使用天气雷达产品的主要原因，有效提升了强对流临近预报的准确性和时效性水平。

2.1.1 回波顶高与组合反射率因子

实际上，回波顶高就是指回波强度超过18dBz的反射率因子，与其相对应的上空雷达观测到的最高仰角回波位置高度。通常情况下，随着回波顶高的增加，系统强度就会上升，反之亦然。在气象预报过程中，若是回波顶高比指定的阈值要高，说明出现强对流天气的概率越大。受到雷达静锥区的影响，有时对雷达周边回波顶的估计值要低于实际数值，一旦不能熟练掌握向上垂直外推的方法，将会进一步增加风暴最高回波顶的判断难度。垂直空气柱内的最大反射率因子在笛卡尔网格点上投影的产品称之为组合反射率因子，主要表现的是体积扫描中最大反射率因子分布。对于组和反射率产品来说，可以在短时间内准确及时判断强中心的回波区域位置，增加了其在强对流回波判断的使用频率。

2.1.2 基本反射率

所谓的基本反射率主要是指雷达在进行体积扫描时，对不同扫描仰角的回波强度通过图像产品方式显示出现的信息称之为基本反射率因子，其分辨率涵盖1km、2km或4km三种不同类型，距离范围则有两种，分别为230km、460km。另外，基本发射率产品涉及到的图像等级有8和16两种不同类型。基本反射率产品图像等级会随着探测模式的变化而发生不同程度的改变。基本反射率产品可以对降水回波强度、结构特征、移动和发展趋势进行确定，并在连续演变资料的基础上，对降水移动方向、强度和发展趋势进行判断。由于冰雹特殊的空间结构和对电磁波的散射形式，冰雹云回波具有独特的结构特征。若是反射率因子回波在55dBz以上，说明较强对流云可产生冰雹天气。通过新一代天气雷达获取的冰雹回波具有常规雷达回波特点外，还有其他特征。再加上冰雹离子的散射能力极强，可形成“三体散射”，也就是说在出现“三体散射”时，就有可能产生冰雹天气。在基本反射率产品的基础上，可以确定出降水量、冰雹潜势、风暴结构、边界层位置等信息。该产品还能对强降雨、风暴结构、冰雹、边界层位置等进行估算，为强对流临近天气的观测预报提供了便利条件。

2.1.3 强回波比例

在雷暴天气出现的过程中，可根据0℃高度位置处超过40dBz的雷暴单体与回波在25dBz以上的回波体积比例来确定首次预报的闪电时间，并将该数值称之为强回波比例。结合相关研究成果不难发现，冰相离子在电荷分离中发挥着十分重要的作用，受到所处环境液态含水量和环境温湿度的影响，使得冰相离子效率和电极性存在很大差异。

2.2 垂直累积液态含水量（VIL）

通常情况下，垂直累积液态含水量（VIL）主要在降水云体中表现，是指某一确定底面积格点区域垂直柱体内液态水的分布图像产品。利用垂直累积液态含水量可以对冰雹、雷雨等灾害性天气进行判断，是气象防灾减灾的有效手段。自垂直累积液态含水量（VIL）被提出以来，大都是对强对流天气产生的冰雹、暴雨等天气进行判断。早期主要借助于雷达回波参数来分析判别冰雹回波，并通过单因子、双因子点据图识别和多因子组合参数识别，在回波形态特征的基础上来判断冰雹。当前，在气象领域中，垂直累积液态含水量得到了广泛应用，是判断风暴强度的重要指标之一，为冰雹、暴雨等强对流天气过程的预报预警工作提供了参考依据。

2.3 谱宽数据

实际上，速度谱宽数据可以通过谱宽数据反映出来，主要表示速度离散度的度量。谱宽数据包含了风切变、湍流、速度样本质量变化的平均径向速度信息，还能确定密度不连续面的边界位置、径向量的有效性水平，且能对湍流大小进行准确估算，促进了强对流临近天气预报工作的顺利开展。

2.4 平均径向速度产品

在360°方位体积扫描到的径向速度数据称之为平均径向速度产品。主要表示的是在云雨离子运动时的速度在雷达径向上的分量。在径向速度的基础上，可以推算出大气结构和风暴结构。在高空分析图形成的过程中，可对径向速度进行调整。作为强对流天气观测预报业务的重要参数，径向速度产品对天气条件分析和天气预报准确性有很大影响。相较于普通气象雷达，新一代天气雷达可以直接通过径向分量来获取风矢量，在为强对流天气临近预报工作提供便利的同时，还增强了其预报的准确性水平。

3 结语

综上所述，天气雷达是监测强对流天气最有效的工具，而对于新一代天气雷达来说，由于产品丰富和持续不断的观测，可以向人们提供强对流天气内外部的微观结构和环境场信息，且导出产品还能获取定量化的强对流天气信息，以方便预报人员制作定量化的强对流天气预报产品，使得气象预报的准确性和服务时效性均得到了不同程度的增强，同时还有效提升了不同地区对中小尺度灾害性天气的预报预警能力。